- •Міністерство освіти і науки україни
- •Запорізький національний технічний університет
- •Лекції з фізики
- •8.2 Основні положення класичної теорії електропровідності
- •8.3 Закон Ома по класичній теорії електропровідності
- •1 Вступ
- •1.1 Предмет і задачі фізики
- •1.2 Поняття про вимірювання. Інтернаціональна система одиниць вимірювання (сі)
- •2 Механіка. Кінематика
- •2.1 Основні поняття і задача кінематики
- •2.2 Класифікація механічних рухів
- •2.3 Способи задавання руху точки у просторі
- •2.4 Швидкість при криволінійному русі
- •2.5 Прискорення при криволінійному русі. Дотична та нормальна складові прискорення
- •2.6 Класифікація рухів в залежності від значень нормального і дотичного прискорень
- •2.7 Рух тіла по колу. Кутова швидкість та кутове прискорення. Аналогія поступального і обертального рухів
- •3 Динаміка
- •3.1 Закони Ньютона. Маса. Сила
- •3.2 Імпульс. Загальне формулювання 2-го закону Ньютона. Закон збереження імпульсу
- •3.3 Другий закон Ньютона і дві задачі динаміки
- •3.4 Принцип відносності Галілея. Правило складання швидкостей в класичній механіці
- •3.5 Сили пружності. Закон Гука для деформації розтягування (стискування)
- •3.6 Закон Гука для деформації зсуву
- •3.7 Сили тертя. Сухе тертя. Сили тертя спокою, ковзання, кочення
- •3.8 Сила тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння. Гравітаційне поле та його напруженість
- •3.9 Сили в неінерціальних системах відліку. Сили інерції
- •4. Робота. Енергія. Імпульс. Закони збереження
- •4.1 Імпульс тіла. Імпульс системи тіл. Центр інерції системи . Закон збереження імпульсу
- •4.2 Принцип реактивного руху. Рівняння і.В.Мещерського і к.Е.Ціолковського
- •4.3 Механічна робота. Потужність
- •4.4 Поняття про енергію. Кінетична та потенціальна енергії
- •4.5 Закон збереження механічної енергії
- •4.6 Потенціал гравітаційного поля. Градієнт потенціалу. Зв’язок між напруженістю і потенціалом
- •4.7 Потенціальні криві. Потенціальний бар’єр. Рух класичної частинки в одномірній потенціальній ямі
- •4.8 Застосування законів збереження імпульсу і енергії до центрального удару куль
- •4.9 Перша та друга космічні швидкості
- •4.10 Обертальний рух твердих тіл. Абсолютно тверде тіло. Момент сили. Пара сил
- •4.11 Основне рівняння динаміки обертального руху
- •4.12 Аналогія величин і рівнянь поступального і обертального руху. Кінетична енергія обертання тіла
- •4.13 Розрахунок моментів інерції деяких тіл. Теорема Штейнера
- •4.14 Гіроскоп. Гіроскопічний ефект
- •5. Механіка рідин і газів
- •5.1 Сили в’язкості. Рух тіл в рідинах і в газах. Формула Стокса
- •5.2 Елементи гідроаеродинаміки. Рівняння д. Бернуллі
- •5.3 Вимірювання в’язкості методом Пуазейля
- •5.4 Ламінарний та турбулентний режими течії рідин (газів)
- •6. Молекулярна фізика і термодинаміка
- •6.1 Положення молекулярно-кінетичної теорії та її задача
- •6.2 Поняття ідеального газу та його закони
- •6.3 Закон Дальтона. Рівняння стану для суміші газів
- •6.4 Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії
- •6.5 Середня енергія поступального руху молекул. Молекулярно-кінетичне тлумачення температури
- •6.6 Поняття про функцію розподілу. Функція розподілу Максвела
- •6.7 Швидкості молекул. Правило статистичного усереднення
- •6.8 Експериментальна перевірка Максвеллівського розподілу молекул по швидкостям (дослід Штерна)
- •6.9 Барометрична формула. Больцманівський розподіл молекул в силовому полі
- •6.10 Ефективний діаметр молекул. Частота зіткнень та середня довжина вільного пробігу молекул
- •6.11 Явища переносу в газах. Внутрішнє тертя
- •6.12 Теплопровідність газів
- •6.13 Дифузія
- •6.14 Зв’язок між коефіцієнтами переносу. Властивість газу при низькому тискові
- •6.15 Внутрішня енергія системи. Кількість теплоти. Перше начало термодинаміки
- •Степені вільності молекул. Розподіл енергії по степеням вільності. Внутрішня енергія ідеального газу
- •Робота газу в ізопроцесах
- •Молекулярно-кінетична теорія теплоємності газів
- •Адіабатний процес
- •Оборотні і необоротні процеси. Цикли
- •Принцип дії теплової і холодильної машин та їх коефіцієнт корисної дії (ккд). Холодильний коефіцієнт. Друге начало термодинаміки
- •Ідеальна теплова машина Карно та її ккд
- •Поняття про ентропію. Властивості ентропії
- •Зміна ентропії ідеального газу. Ізоентропійний (адіабатний) процес
- •Реальні гази. Рівняння Ван-дер-Ваальса та його аналіз. Зрідження газів
- •Внутрішня енергія реального газу
- •Рідини. Явища в рідинах
- •6.28 Фазові переходи. Діаграма стану речовини. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса
- •7 Електродинаміка.Електростатика
- •7.1 Поняття про заряд. Закон збереження заряду. Взаємодія зарядів. Закон Кулона. Силові характеристики поля
- •7.2 Принцип суперпозиції та його застосування до розрахунку електростатичного поля
- •7.3 Теорема Остроградського-Гаусса та її застосування до розрахунку електростатичного поля заряджених тіл
- •7.4 Робота в електростатичному полі. Різниця потенціалів. Потенціал. Циркуляція вектора напруженості електростатичного поля
- •7.5 Еквіпотенціальні поверхні. Зв’язок між напруженістю і потенціалом електростатичного поля
- •7.6 Електроємність. Конденсатори. З’єднання конденсаторів
- •7.7 Енергія та густина енергії електростатичного поля
- •8 Постійний електричний струм та його закони
- •8.1 Сила струму. Електрорушійна сила (е.Р.С.). Напруга. Густина струму
- •8.2 Основні положення класичної теорії електропровідності металів. Експериментальне підтвердження електронної природи струму в металах
- •8.3 Закон Ома по класичній теорії електропровідності металів. Електричний опір провідників
- •8.4 Закон Джоуля-Ленца по класичній теорії електропровідності металів
- •8.5 Закон Відемана-Франца по класичній теорії електропровідності металів
- •8.6 Протиріччя класичної теорії електропровідності металів
- •8.7 Закони Кірхгофа для розгалужених електричних кіл
- •8.8 Робота виходу електронів із металу. Контактна різниця потенціалів (крп). Закони Вольта
- •8.9 Термоелектричні явища. Ефекти Зеебека і Пельтьє
- •8.10 Термоелектронна емісія. Струм у вакуумі
- •8.11 Струм у газах
- •9 Електромагнетизм
- •9.1 Магнітне поле рухомих зарядів. Індукція магнітного поля. Закон Ампера
- •9.2 Закон Біо-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиції для магнітного поля
- •9.3 Застосування закону Біо-Савара-Лапласа і принципу суперпозиції для розрахунку магнітного поля на осі колового струму
- •9.4 Застосування закону Біо-Савара-Лапласа і принципу суперпозиції для розрахунку магнітного поля прямолінійного провідника зі струмом
- •9.5 Взаємодія паралельних прямолінійних провідників із струмом
- •9.6 Магнітне поле соленоїда
- •9.7 Дія магнітного поля на рухомий заряд (сила Лоренца). Рух заряду в магнітному полі
- •9.8 Циркуляція вектора напруженості магнітного поля. Закон повного струму. Магнітний потік. Теорема Остроградського- Гаусса для магнітного поля
- •9.9 Контур із струмом у магнітному полі
- •9.10 Механічна робота в магнітному полі
- •9.11 Явище електромагнітної індукції. Закони Фарадея і Ленца
- •9.12 Явище самоіндукції. Індуктивність. Індуктивність соленоїда та тороїда
- •9.13 Зміна струму в котушці при його вмиканні і вимиканні. Фізичний зміст індуктивності
- •9.14 Енергія та густина енергії магнітного поля
8.2 Основні положення класичної теорії електропровідності металів. Експериментальне підтвердження електронної природи струму в металах
Після відкриття у 1897 р. Дж. Томсоном електрона німецький фізик П. Друде у 1900 році заклав основи класичної теорії електропровідності металів, яка знайшла подальший розвиток у роботах нідерландського фізика Х. Лоренца. Розглянемо положення цієї електронної теорії Друде-Лоренца.
– Електронний газ в металах має властивості одноатомного молекулярного ідеального газу. Рухаючись хаотично, електрони зазнають зіткнень тільки з атомами кристалічної гратки, а не між собою, так як розміри електронів набагато менші, ніж атомів. Тому вважається, що середня довжина вільного пробігу електронів дорівнює міжатомній відстані і складає декілька ангстремів (1Å = 10-10м).
– Так як теплові швидкості (середня арифметична, середня квадратична, найбільш ймовірна) із-за малої маси електронів дуже великі (~ 100 км/с), вважається що всі вони однакові. Тепловий хаотичний рух не приводить до направленого руху електронів, тобто струм не виникає.
–Під дією зовнішнього електричного поля виникає направлений рух електронів із швидкістю V, яка направлена проти напруженості поля. Знайдемо силу струму і його густину (рис.8.2). За час dt через перпендикулярний до вектора швидкості V переріз dS провідника перейдуть тільки ті носії, які знаходяться від нього на відстані не більшій, ніж і перенесуть свій заряд через цей переріз. Носії, які знаходяться далі, не встигнуть за цей час дійти до перерізуdS і внести вклад в електричний струм. Сумарний перенесений заряд дорівнює заряду носіїв, які знаходяться в зображеному циліндрі. (n - концентрація вільних носіїв заряду). Враховуючи (8.2) і (8.3), одержуємо струм та густину струму. (8.6)
Оцінка значення швидкості V із формули (8.6) дає ~ 0,8 мм/с, що набагато менше, ніж теплова швидкість. Не дивлячись на це, струм у провіднику виникає практично миттєво, так як у направлений рух після вмикання електричного поля приходять усі електрони.
– Від зіткнення до зіткнення з атомами електрон рухається з середньою тепловою швидкістю. Вважається, що при зіткненні електрона з іоном кристалічної гратки він повністю втрачає набуту швидкість направленого руху. Отже направлений рух електрона між зіткненнями рівноприскорений без початкової швидкості направленого руху.
Розглянемо досліди, які підтверджують електронну природу струму в металах:
–Через послідовно з’єднані мідь-алюміній-мідь (рис.8.3) приблизно протягом року пропускався електричний струм, після чого досліджувались контакти на предмет взаємного проникнення металів. Не дивлячись на те, що в одному контакті струм протікав від міді до алюмінію, а в другому від алюмінію до міді, взаємне проникнення металів в обох контактах було однаковим. Стимульованої струмом дифузії виявлено не було. Це означає, що протікання струму в металах не супроводжується переносом речовини, а носіями струму являються загальні для всіх металів частинки – електрони.
–Металевий стержень, замкнутий чутливим гальванометром (рис.8.4), рухався, а потім різко зупинявся. Гальванометр фіксував імпульс струму, зумовлений тим, що в момент зупинки кристалічної гратки металу електрони ще продовжують рухатись по інерції в напрямку направленого руху.
У1913 році російські фізики Л.І.Мандельштам і М.Д.Папалексі вдосконалили вище розглянутий дослід. Вони замінили масивний провідник котушкою (довжина дроту ~500 м), яку привели в обертальні коливання (рис.8.5). В момент зміни напрямку руху котушки в ній виникав електричний струм, наявність якого фіксувалася телефоном, увімкнутим до кінців котушки (виникав характерний тріск). Тепер фіксувались уже не поодинокі імпульси струму.
–У 1916 році шотландський фізик Ч.Стюарт і американський Т.Толмен замінили в досліді Л.І.Мандельштама і М.Д.Папалексі телефон, чутливим гальванометром. Це дало можливість провести кількісні вимірювання, а саме визначити відношення заряду носіїв струму до їх маси (питомій заряд). Виявилось, що це відношення дорівнює питомому заряду електрона.
Отже струм у металах зумовлений направленим рухом електронів.